Diamond Quantum Imaging открывает возможности для силовой электроники следующего поколения

Инсайдер силовой электроники

Эти методы анализа мягких магнитов помогут улучшить работу силовой электроники. (Изображение:Science Tokyo)

Повышение эффективности преобразования энергии в силовой электронике жизненно важно для устойчивого развития общества, поскольку полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как силовые устройства на основе GaN и SiC, предлагают преимущества благодаря своим высокочастотным возможностям. Однако потери энергии в пассивных компонентах на высоких частотах снижают эффективность и миниатюризацию. Это подчеркивает необходимость создания современных магнитомягких материалов с меньшими потерями энергии.

В исследовании, опубликованном в Коммуникационные материалы , исследовательская группа под руководством профессора Муцуко Хатано из Инженерной школы Института науки Токио, Япония, разработала новый метод анализа таких потерь путем одновременного отображения амплитуды и фазы полей рассеяния переменного тока (AC), что является ключом к пониманию гистерезисных потерь. Исследование проводилось в сотрудничестве с Гарвардским университетом и Hitachi, Ltd.

Используя алмазный квантовый датчик с центрами азотных вакансий (NV) и разработав два протокола — отслеживание частоты кубита (Qurack) для кГц и квантовую гетеродинную визуализацию (Qdyne) для частот МГц — они добились визуализации магнитного поля переменного тока в широком диапазоне.

Исследователи провели эксперимент по визуализации магнитного поля в широком диапазоне частот, подав переменный ток на 50-витковую катушку и изменив частоту от 100 Гц до 200 кГц для Qurack и от 237 кГц до 2,34 МГц для Qdyne. Как и ожидалось, амплитуда и фаза однородного магнитного поля переменного тока были получены с помощью NV-центров с высоким пространственным разрешением (2–5 мкм), что подтвердило оба протокола измерений.

Используя эту инновационную систему визуализации, команда смогла одновременно составить карту амплитуды и фазы рассеянных магнитных полей тонких пленок CoFeB-SiO2, которые были разработаны для высокочастотных индукторов. Их результаты показали, что эти пленки демонстрируют почти нулевую фазовую задержку до 2,3 МГц, что указывает на незначительные потери энергии вдоль жесткой оси. Более того, они заметили, что потери энергии зависят от магнитной анизотропии материала — когда намагничивание перемещается вдоль легкой оси, фазовая задержка увеличивается с частотой, что означает более высокую диссипацию энергии.

В целом, результаты демонстрируют, как квантовое зондирование можно использовать для анализа магнитомягких материалов, работающих на более высоких частотах, что считается серьезной проблемой при разработке высокоэффективных электронных систем. Примечательно, что способность определять движение доменной стенки, один из механизмов намагничивания, тесно связанный с потерями энергии, является ключевым шагом, ведущим к важным практическим достижениям и оптимизации в электронике.

Заглядывая в будущее, исследователи надеются на дальнейшее совершенствование предложенных методов различными способами. «Технологии Qurack и Qdyne, используемые в этом исследовании, могут быть улучшены за счет некоторых инженерных усовершенствований», — сказал Хатано. «Производительность Qurack можно повысить за счет использования высокопроизводительных генераторов сигналов для расширения диапазона его амплитуд, тогда как оптимизация времени спиновой когерентности и скорости микроволнового управления расширит диапазон обнаружения частот Qdyne».

«Одновременное получение изображений амплитуды и фазы магнитных полей переменного тока в широком диапазоне частот открывает многочисленные потенциальные применения в силовой электронике, электромагнитах, энергонезависимой памяти и технологиях спинтроники», — сказал Хатано. «Это способствует ускорению внедрения квантовых технологий, особенно в секторах, связанных с целями устойчивого развития».

Источник